基于UG的某汽車驅動橋殼靜力學分析

許星月 陳晨 蘇蓉 韓曉標 尹宗軍 王清清

摘 要：文章通過UG仿真下的有限元分析對后驅動橋殼進行了結構靜力學分析，得到了橋殼在四種典型工況下的的應力應變云圖。結果表明該驅動橋殼滿足強度要求和最大變形量的要求，該研究對驅動橋的結構設計具有一定的學術價值。

關鍵詞：驅動橋殼;有限元;靜力學分析

中圖分類號：U463 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）04-115-04

Static Analysis of the Drive Axle Shell of an Automobile Based on UG^*

Xu Xingyue¹， Chen Chen¹， Su Rong^1，2，?Han Xiaobiao¹，?Yin Zongjun^1*， Wang Qingqing¹

（ 1.Anhui Institute of Information Technology， School of Mechanical Engineering， Anhui Wuhu 241100;2.Anhui Institute of Information Technology， Office of the Principal，?Anhui Wuhu 241100?）

Abstract：?The structural statics of the rear drive axle housing is analyzed by the finite element analysis under the UG simulation， and the stress-strain nephogram of the axle housing under four typical working conditions is obtained. The results show that the drive axle shell meets the requirements of strength and maximum deformation. Our research has certain academic value for the structural design of the drive axle.

Keywords：?Drive axle housing; Finite element analysis; Static analysis

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）04-115-04

前言

驅動橋殼是汽車傳動系統中驅動橋的主要零部件之一，其設計分析水平對整車性能有較大的影響。驅動橋是汽車在實際行駛工況下工作環境較為為惡劣的總成之一，其橋殼承受著來自地面與汽車懸架之間的所有載荷和力矩，因此對橋殼強度、剛度和動態特性的合理設計對汽車的安全性、操縱穩定性等會有明顯的提升。

吳超^[1]運用有限元法研究了驅動橋殼在最大鉛垂力工況下的靜力分析。楊朝會^[2]對載貨汽車驅動橋殼進行了強度計算和有限元模擬分析，得出了零件的應力和變形分布。劉為^[3]認為傳統的橋殼設計采用經驗設計的方法，存在設計周期長，成本高等弊端。隨著計算機和CAE技術的發展，有限元分析技術越來越多的應用于橋殼設計和分析中。王文竹^[4]通過對驅動橋殼進行有限元分析，分別得到了驅動橋殼四種典型工況的等效應力和變形。

本文通過某車型驅動橋殼結構參數建立起三維參數模型，后通過NX高級仿真模塊進行橋殼的模態分析，得到自由模態下的固有頻率及振型，為橋殼后續的輕量化研究提供了理論依據。

1 汽車后座的靜力學分析

1.1 有限元模型的建立

其中材料的彈性模量為2×10⁵MPa，泊松比為0.28，材料密度為7.65e-6kg/mm³。本模型采用的是3D四面體網格劃分的方法，網格節點數為10，網格大小為18mm，共生成52678個節點，26396個單元。如圖1所示：

1.2 沖擊載荷工況

由上述可知，滿載時驅動橋殼板簧座所受最大垂直力為3.8N/mm²（MPa），此工況下只考慮最大垂直力。對兩端半軸套管施加固定約束，如圖2所示：

此橋殼在沖擊載荷工況下由NX Nastran所得的變形圖（圖3）和Von Mises（圖4）如下：

從圖3節點的位移幅值圖可以看出，橋殼在加載以后，受力變形，其最大的位移處于橋殼的中間位置，最小的位移即是被固定約束的地方。這是由于在沖擊載荷工況下載荷主要集中在鋼板彈簧座處，對兩端半軸套管進行約束后，使得橋殼的中間位置以半軸套管為中心向下發生變形，從位移圖中可以看出中間位置變形量較大。每米輪距變形量為0.558/?1.6=0.35mm/m，遠小于規定的1.5mm/m，符合國家相關規定。

從圖4單元的應力云圖可以看出，單元的最大應力出現在了半軸套管約束處，為223.85MPa，不影響分析。這是由于在沖擊載荷工況下對半軸套管進行了固定約束，橋殼受到沖擊時，兩端板簧座對橋殼有向下的垂直力的作用，中間圓弧位置存在著過渡面，并在力的作用下擠壓變形，從而導致半軸套管處受到較大的應力，各處的應力值分布也相對合理。

1.3 最大牽引力工況

汽車以最大牽引力（驅動力）行駛時，不考慮側向所受到的力，且發動機工作在最大轉矩，該工況橋殼承受垂直力和輪胎切向最大牽引力。

1）垂直力：

對驅動橋殼板簧座施加固定約束，載荷施加在兩端半軸套筒上，如圖5所示：

對驅動橋殼板簧座施加固定約束，載荷施加在兩端半軸套筒上，如圖5所示：

此橋殼在最大牽引力工況下由NX Nastran所得的變形圖（圖6）和Von Mises圖（圖7）。

從圖6節點的位移幅值圖可以看出，橋殼在加載以后，受力變形，其最大的位移處于橋殼的中間位置和兩端套筒端點處，最小的位移即是被固定約束的地方。這是由于施加邊界條件時，根據最大驅動力時的受力分布，主要的在載荷施加在兩端套筒處，對兩端上板簧進行固定約束，使得在該工況下橋殼中間位置變形量較大。而兩端套筒受到最大切向牽引力。每米輪距變形量為0.524/1.6=0.33mm/m，遠小于規定的1.5mm/m，符合國家相關規定。

從圖7單元的應力云圖可以看出，最大應力出現在板簧座約束處，為326.75MPa。這種情況的出現，與加載位置和約束位置有關。在最大驅動力工況下，橋殼中間區域由于圓弧過渡面的存在，在力的作用下有一個漸變的變化趨勢，應力也較為集中在此處。此工況下從整個橋殼的單元應力分布來看，各處的應力分布也都在規定范圍內，分布也都較為符合實際。

1.4 最大制動力工況

該工況下，驅動橋殼主要承受垂直力和切向最大制動力。此工況下載荷約束施加情況類比于最大牽引力力工況，垂直力同最大牽引力工況，切向最大制動力為：

約束兩端板簧座，對套筒施加載荷，如圖8所示：

此橋殼在最大制動力工況下由NX Nastran所得的變形圖（圖9）和Von Mises圖（圖10）。

由圖中可以看出，節點的位移小于國家規定的1.5mm/m，而單元最大應力為294.27MPa，考慮應力集中的影響，與理論值基本吻合。

1.5 最大側向力工況

最大側向力工況下，汽車處于臨界側滑工況，驅動橋所受載荷由側滑方向一側的車輪承擔。這是一種極度危險的工況，會導致車輛發生側翻。該工況下，行駛中的汽車只有單側的車輪承受所有的車身在垂直方向上的載荷和最大側向力。橋殼的這種臨界狀況在實際中應避免發生，但是在理論分析上作為一種極限工況，對汽車的安全性與操縱穩定性來講有其研究分析的價值，通過研究降低其風險。

單側車輪所承受的垂直力為車重G，最大側向力也為G。載荷與約束情況如圖11所示：

此橋殼在最大側向力工況下由NX Nastran所得的變形圖（圖12）和Von Mises圖（圖13）。

由12圖可知，最大節點位移出現在側滑方向端半軸套管的端部，其值為0.555mm，每米輪距變形量為0.33mm/m，符合1.5mm/m的國家標準。最大側向力工況下的單元最大應力發生在半軸套管端部，最大值為312.39MPa（如圖13所示），小于許用應力值。

2 結論

本文對某汽車驅動橋殼在各種典型工況下的進行了結構靜力學分析，我們可以看出該車型下的驅動橋殼的應力分布能滿足整車設計與車輛行駛要求。但是驅動橋殼的節點位移變形圖與單元的應力云圖顯示，在四種典型工況下沖擊載荷工況與最大側向力工況下位于驅動橋殼鋼板彈簧與橋殼中心圓弧過渡面處的節點的位移變形過于明顯且單元的應力最大值均位于此處，為危險區域，多次分析過后發現此處并非隨機點，會對橋殼的使用壽命造成較大影響^[4]。

參考文獻

[1] 吳超，廖敏，業紅玲.基于有限元方法的汽車驅動橋殼分析[J].智能制造， 2015（4）：45-48.

[2] 楊朝會，王豐元，馬浩.基于有限元方法的載貨汽車驅動橋殼分析[J].農業裝備與車輛工程， 2006（10）：19-21.

[3] 劉為.汽車后驅動橋殼有限元分析[D].合肥工業大學， 2012.

[4] 王文竹，程勉宏，劉剛.汽車驅動橋殼的有限元分析[J].沈陽航空航天大學學報， 2008， 25（3）：38-40.